G蛋白功能

5.2 G蛋白偶联受体及信号转导

细胞质膜上最多，也是最重要的信号转导系统是由G-蛋白介导的信号转导。这种信号转导系统有两个重要的特点:①系统由三个部分组成:7次跨膜的受体、G蛋白和效应物(酶); ②产生第二信使。

5.2.1 G蛋白的结构与功能

G蛋白，即GTP结合蛋白(GTP binding protein)，参与细胞的多种生命活动,如细胞通讯、核糖体与内质网的结合、小泡运输、微管组装、蛋白质合成等。

异源三体G蛋白(heterotrimeric G protein)的结构组成

G蛋白偶联系统中的G蛋白是由三个不同亚基组成的异源三体,三个亚基分别是α、β、γ, 总相对分子质量在100kDa左右。G蛋白有多种调节功能, 包括Gs和Gi对腺苷酸环化酶的激活和抑制、对cGMP磷酸二酯酶的活性调节、对磷酯酶C的调节、对细胞内Ca2+浓度的调节等，此外还参与门控离子通道的调节。

G蛋白循环(G protein cycle)

在G蛋白偶联信号转导系统中，G蛋白能够以两种不同的状态结合在细胞质膜上。一种是静息状态，即三体状态; 另一种是活性状态，G蛋白由非活性状态转变成活性状态，尔后又恢复到非活性状态的过程称为G蛋白循环(G protein cycle)。G蛋白的这种活性转变与三种蛋白相关联:

● GTPase激活蛋白(GTPase-activating protein，GAPs)

● 鸟苷交换因子(guanine nucleotide-exchange factors，GEFs)

● 鸟苷解离抑制蛋白(guanine nucleotide-dissociation inhibitors，GDIs)

G蛋白与GDP结合时是非活性状态，如果无活性的G蛋白与GDI结合，则处于被抑制状态(无活性)，如果G蛋白与GEF相互作用，将GDP换成了GTP，G蛋白则被激活，可启动下游反应。处于活性状态的G蛋白与GTPase激活蛋白(GAP)相互作用，会激活GTPase，使GTP水解成GDP，此时的G蛋白又恢复到无活性状态。

G蛋白的信号转导作用

在G蛋白偶联受体的信号转导中G蛋白起重要作用，它能够将受体接受的信号传递给效应物，产生第二信使，进行信号转导，某些G蛋白可直接控制离子通道的通透性。一个典型的例子是通过神经递质乙酰胆碱调节心肌收缩。

(a)神经递质乙酰胆碱与心肌细胞的膜受体结合，使得G蛋白的α亚基与β、γ亚基分开;(b)激活的β、γ亚基复合物同K+离子通道结合并将K+离子通道打开;(c)α亚基中的GTP水解，导致α亚基与β、γ亚基重新结合，使G蛋白处于非活性状态，使K+离子通道关闭。

5.2.2 PKA系统(protein kinase A system，PKA)的信号转导机理

该系统的信号分子作用于膜受体后，激活G蛋白偶联系统，产生cAMP后，激活蛋白激酶A进行信号的放大，故将此途径称为PKA信号转导系统。

G蛋白偶联系统由三部分组成:表面受体、G蛋白和效应物,由于这三种复合物都是结合在膜上,故此将它们称为膜结合机器(membrane-bound machinery)。

●受体G蛋白偶联受体都是7次跨膜的膜整合蛋白，包括肾上腺素(β型)受体、胰高血糖素受体、促甲状腺素受体、后叶加压素受体、促黄体生长素受体、促卵泡激素受体等。

G蛋白

● 效应物(effector) 所谓效应物是指直接产生效应的物质,通常是酶,如腺苷酸环化酶、磷酸脂酶等,它们是信号转导途径中的催化单位(表5-3)。

■第二信使:cAMP

●腺苷酸环化酶(adenylate cyclase，AC)

腺苷酸环化酶是膜整合蛋白，能够将ATP转变成cAMP(图5-26)，引起细胞的信号应答，故此，AC是G蛋白偶联系统中的效应物。

很多不同类型的细胞都是通过cAMP浓度的变化引起细胞的应答(表5-4)，在无脊椎动物中cAMP也可作为第二信使起作用。

■G蛋白偶联受体跨膜信号转导机理

在G蛋白偶联系统中，G蛋白的作用主要是将信号从受体传递给效应物，它包括了三个主要的激发过程(图5-27):

● G蛋白被受体激活

● G蛋白将信号向效应物转移

● 应答的终结当与Gα结合的GTP被水解成GDP时，信号转导就会终止。因此，GTP水解的速率在某种程度上决定着信号转导的强度和时间的长短。Gα亚基具有较弱的GTPase的活性，能够缓慢地水解GTP，进行自我失活.失活可通过与GAP的作用而加速。一旦GTP水解成GDP，Gα-GDP能够重新与Gβγ复合物恢复结合，形成非活性的三体复合物。

■激活型和抑制型cAMP信号途径

● 组成和作用效果

在某些细胞中，G蛋白不仅可激活酶活性（又称向上调节，up regulation)，也可抑制其作用的酶活性（向下调节，down regulation)，因此有激活型和抑制型两种不同的系统(图5-28)。

● 毒素对G蛋白的核糖化作用

霍乱弧菌(Vibrio cholerae)感染人体后，产生一种毒素:霍乱毒素(cholera to xin，一种毒蛋白)，具有催化作用，可将NAD+上的ADP-核糖基团转移到Gs α亚基上(图5-29)，使G蛋白核糖化(ADP-ribosylation)，这样抑制了α亚基的GTPase活性，从而抑制了GTP的水解，使Gs一直处于激活状态。其结果使腺苷酸环化酶处于永久活性状态，cAMP的形成失去控制，引起Na+和水分泌到肠腔导致严重腹泄。

百日咳则是由百日咳杆菌(Bordetella pertussis)所引起，该菌产生的百日咳毒素(pertussis toxin)同样使G蛋白的α亚基ADP核糖化。与霍乱毒素作用机理不同的是，百日咳毒素使Gi蛋白α亚基进行ADP核糖化，阻止了Gi蛋白

α亚基上的GDP被GTP取代，使其失去对腺苷酸环化酶的抑制作用，其结果也是使cAMP的浓度增加。由于百日咳是经呼吸道感染的，被感染的细胞与呼吸系统相关，这些细胞中cAMP浓度的提高，促使大量的体液分泌进入肺，引起严重的咳嗽。

■蛋白激酶A与底物磷酸化

● 蛋白激酶A (protein kinase A，PKA)

又称为依赖于cAMP的蛋白激酶A (cyclic-AMP dependent protein kinas e A)，是由四个亚基组成的四聚体(图5-30)。一般认为，真核细胞内几乎所有的cAMP的作用都是通过活化PKA，从而使其底物蛋白发生磷酸化而实现的。

cAMP与PKA的调节亚基结合，使PKA的调节亚基与催化亚基分开，被激活的催化亚基可使底物磷酸化。

● 磷酸化与去磷酸化

磷酸化和去磷酸化是信号转导中最简便而又十分快捷的反应方式,一般是通过磷酸化而激活,去磷酸化而失活,磷酸成为蛋白(酶)的活性标记。例如，磷酸酶-1的激活是受一种称为抑制剂-1(inhibitor-1)的蛋白控制,而这种抑制蛋白又是通过磷酸化和去磷酸化进行活性与非活性状态的转换(图5-31)。

■蛋白激酶A的细胞质功能与细胞核功能

● 蛋白激酶A被cAMP激活后能够使多种底物磷酸化，引起多种反应(表5-5)。